JP4196001B2 - Semiconductor power module - Google Patents
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Description
本発明は、半導体パワーモジュールに関するものであって、特に高周波数で大電流駆動を行うモジュールに関する。 The present invention relates to a semiconductor power module, and more particularly to a module that drives a large current at a high frequency.
半導体パワーモジュールは、電力制御用の半導体素子であるパワー半導体を備える主回路と、当該回路との間で信号を交換することにより当該回路の動作を制御する半導体素子であるドライバICを備える制御回路とを、1個の装置に組み込んだものである。 A semiconductor power module includes a main circuit including a power semiconductor that is a semiconductor element for power control and a control circuit including a driver IC that is a semiconductor element that controls the operation of the circuit by exchanging signals with the circuit. Are incorporated into one device.
従来の半導体パワーモジュールの例を図10、図11に示す。図10は特許文献1に示される半導体パワーモジュールの回路基板の平面図である。また図11は図10に示した回路基板の断面図である。 Examples of conventional semiconductor power modules are shown in FIGS. FIG. 10 is a plan view of a circuit board of the semiconductor power module disclosed in Patent Document 1. FIG. FIG. 11 is a cross-sectional view of the circuit board shown in FIG.
図10において、IGBT1〜IGBT6は絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ(以下、パワー半導体と記す)、D1〜D6はパワー素子IGBT1〜IGBT6のそれぞれに逆並列に接続されたフライホイルダイオード(以下、ダイオード素子と記す)、IC1〜IC3はハイサイド側の、IC4はローサイド側の制御IC(以下、ドライバICと記す)であり、それぞれ対応するパワー素子IGBT1〜IGBT6のゲートに接続されている。
In FIG. 10, IGBT1 to IGBT6 are insulated gate bipolar transistors (hereinafter referred to as power semiconductors), and D1 to D6 are flywheel diodes (hereinafter referred to as diode elements) connected in reverse parallel to the power elements IGBT1 to IGBT6, respectively. IC1 to IC3 are high-
また、図10、図11において、絶縁金属基板101は、金属板102、絶縁層103、銅箔パターン104にて構成されており、銅箔パターン104は、パワー半導体素子120を搭載した主回路パターン部104a、制御半導体素子121を搭載した制御回路パターン部104bからなり、接続線122〜接続線124により電気的に接続されている。パワー用リード端子105、制御用リード端子106は、それぞれの一端が主回路パターン部104a、制御回路パターン部104bに半田付けされている。107は絶縁金属基板101やパワー半導体素子120、制御半導体素子121等を収納するケースであり、パワー用リード端子105、制御用リード端子106の他端がケース107を貫通し、外部に露出して外部リード端子を形成している。
10 and 11, the
なお、図11に示した回路基板の断面図では、図10に示した6個のパワー半導体IGBT1〜IGBT6およびダイオード素子D1〜D6を総称してパワー半導体素子120として示し、制御用ICである3個のハイサイド側の制御素子IC1〜IC3、1個のローサイド側の制御素子IC4を総称して制御半導体素子121として示している。また、パワー半導体IGBT1〜IGBT6の主電流入力端子P、Nおよび主電流出力端子U、V、Wをパワー用リード端子105として、制御素子IC1〜IC3の制御信号入力端子UP、VP、WP、UN、VN、WNおよび接地用端子GND等を制御用リード端子106として示している。
In the cross-sectional view of the circuit board shown in FIG. 11, the six power semiconductors IGBT1 to IGBT6 and the diode elements D1 to D6 shown in FIG. 10 are collectively shown as a
以上の構成により、ドライバIC、IC1〜IC4が外部からの信号を受け、駆動信号を対応するパワー半導体IGBT1〜IGBT6に出力し、各パワー半導体IGBT1〜IGBT6が前記駆動信号の入力により、端子P、Nからの直流入力をON、OFFし、端子U、V、Wより負荷である三相モータ(図示せず)に任意の周波数の交流出力を供給する。即ち、ドライバIC、IC1、IC4が外部制御信号の入力により対応するパワー半導体IGBT1、IGBT4へそれぞれ駆動信号を出力し、これらの駆動信号の入力によりパワー半導体IGBT1がON、パワー半導体IGBT4がOFFすることにより、端子Pから入力された主電流が端子Uを介して三相モータ(図示せず)へ出力される。 With the above configuration, the driver ICs IC1 to IC4 receive signals from the outside and output drive signals to the corresponding power semiconductors IGBT1 to IGBT6, and the power semiconductors IGBT1 to IGBT6 receive the terminals P, The DC input from N is turned ON and OFF, and an AC output of an arbitrary frequency is supplied from a terminal U, V, W to a three-phase motor (not shown) as a load. That is, the driver IC, IC1, IC4 outputs a drive signal to the corresponding power semiconductor IGBT1, IGBT4 by inputting an external control signal, respectively, and the power semiconductor IGBT1 is turned on and the power semiconductor IGBT4 is turned off by inputting these drive signals. Thus, the main current input from the terminal P is output to the three-phase motor (not shown) via the terminal U.
図10から明らかなように、従来の半導体パワーモジュールにおいて、各パワー半導体の出力電流を外部へ出力するための制御用リード端子は、各パワー半導体が固着された回路パターン部およびパワー半導体の上部電極と金属細線で接続された回路パターン部から各1本ずつしか接続されていない。また各パワー半導体はパワー用リード端子から一定距離をもった回路パターン上にハンダ付けされており、パワー用リード端子とパワー半導体を電気的に接続する回路パターンは必然的に幅細で回り込んだ形状で形成される。さらにパワー半導体の上部電極と回路パターンを電気的に接続する金属細線も上記と同様の理由より必然的に引き回しが長くなる。 As is apparent from FIG. 10, in the conventional semiconductor power module, the control lead terminal for outputting the output current of each power semiconductor to the outside includes the circuit pattern portion to which each power semiconductor is fixed and the upper electrode of the power semiconductor. And only one each from the circuit pattern part connected by the metal fine wire. In addition, each power semiconductor is soldered on a circuit pattern having a certain distance from the power lead terminal, and the circuit pattern for electrically connecting the power lead terminal and the power semiconductor is inevitably narrow and wraps around. Formed in shape. Furthermore, the thin metal wire that electrically connects the upper electrode of the power semiconductor and the circuit pattern is inevitably longer for the same reason as described above.
図12は特許文献2に示される半導体パワーモジュールのパワー用リード端子と回路基板の周辺部の断面図である。
FIG. 12 is a cross-sectional view of the power lead terminal of the semiconductor power module disclosed in
図12において、板状の導体で構成される2つの電源端子PS(P)、PS(N)は、絶縁体の合成樹脂等で構成される板状の絶縁シートINS1を間に挟んで、互いに近接して設けられている。電源端子PS(P)、PS(N)は、配線パターンP(P)、P(N)にそれぞれ電気的に接続される。絶縁シートINS1の厚さは、例えば0.5mm〜1.5mmである。このため、これらの電源端子PS(P)及びPS(N)をそれぞれ流れる電流は、絶縁シートINS1を隔てて相互にほぼ密着して流れ、しかもその流れる方向は互いに反平行である。その結果、電源端子PS(P)、配線パターンP(P)、IGBT素子(図示せず)、配線パターンP(N)、及び電源端子PS(N)によって形成される経路に寄生的に発生するインダクタンスは小さくなる。
駆動周波数10kHz以上の高周波で大電流を扱う半導体パワーモジュールにおいては、スイッチング時間の高速化によりONからOFF、OFFからON時の電流の時間変化率di/dtが大きくなる。 In a semiconductor power module that handles a large current at a high frequency of a driving frequency of 10 kHz or more, the time change rate di / dt of the current from ON to OFF and from OFF to ON increases by increasing the switching time.
しかしながら、特許文献1に示される従来の構成では、主電流入力端子Pから主電流出力端子U、V、Wを経て主電流入力端子Nへと流れる電源電流経路の回路パターン、端子距離が長いため、必然的に電流経路の引き回しが長くなり、この電源電流経路に寄生的に発生するインダクタンスLが大きくなる。その結果スイッチング時にインダクタンスLによってLdi/dtの大きさのサージ電圧や輻射ノイズが発生し、電気的雑音の原因となり装置の回路の誤動作を引き起こし、更には回路素子を破壊に至らしめる。 However, in the conventional configuration shown in Patent Document 1, the circuit pattern and terminal distance of the power source current path that flows from the main current input terminal P to the main current input terminal N through the main current output terminals U, V, and W are long. Inevitably, the routing of the current path becomes longer, and the inductance L parasitically generated in the power source current path becomes larger. As a result, a surge voltage or radiation noise having a magnitude of Ldi / dt is generated by the inductance L at the time of switching, causing electrical noise, causing malfunction of the circuit of the device, and further causing circuit elements to be destroyed.
また、特許文献2に示される別の従来の構成では、主電源端子PS(P)、PS(N)に接続される配線パターンP(P)、P(N)がその主要部を互いに隣接するように基板本体の主面上に設けられており、主電源端子PS(P)、PS(N)は、配線パターンP(P)、P(N)をそれぞれ流れる電源電流の方向が互いに実質的に反平行になるように、互いに近接して設けられている。このため、主電源電流の経路に寄生的に発生するインダクタンスは低くなるが、主電源端子PS(P)、PS(N)および配線パターンP(P)、P(N)を互いに近接して設けるために、端子長および回路パターン引き回しが必然的に長くなり電流経路に発生する配線抵抗は大きくなる。また端子および回路パターンを立体配線で行うため、配線の自由度は小さく、構造が複雑でかつ製造コストが高価なものになるという問題点があった。
In another conventional configuration shown in
さらに主電源端子から出力端子の電流経路に発生するインダクタンスを低減する工夫はされていないため、出力信号にサージ電圧が印加され装置の誤動作を引き起こす恐れがある。 Furthermore, since no attempt has been made to reduce the inductance generated in the current path from the main power supply terminal to the output terminal, a surge voltage is applied to the output signal, which may cause malfunction of the device.
上記に鑑み、本発明は、パワー半導体の大電流経路の寄生インダクタンスおよび配線抵抗を低減し、高周波,大電流駆動を実現する半導体パワーモジュールを提供することを目的としている。 In view of the above, an object of the present invention is to provide a semiconductor power module that reduces parasitic inductance and wiring resistance of a large current path of a power semiconductor and realizes high frequency and large current driving.
上記課題を解決するため、本発明に係る半導体パワーモジュールは、金属基板の一主面に配設された電気的絶縁層の上に導電性の回路パターンを形成した金属ベースプリント基板と、前記回路パターン上に固着された少なくとも1つ以上のパワー半導体と、前記パワー半導体を駆動するためのドライバICを有し、前記パワー半導体素子の上部電極と前記回路パターンとを金属細線によって電気的に接続する半導体パワーモジュールであって、前記半導体パワーモジュールと外部とを電気的接続するための同電位の金属リード端子群のうち少なくとも1つは、リード端子支持部を介して前記金属ベースプリント基板側に接続される内部リード端子と、外部に接続される外部リード端子を有する構造であり、前記内部リード端子の端子間ピッチは前記外部リード端子の端子間ピッチよりも小さく、前記内部リード端子の端子数は前記外部リード端子の端子数よりも多く、前記金属リード端子群における外部と接続する部分の端子間ピッチは同一であることを特徴とする。
In order to solve the above problems, a semiconductor power module according to the present invention includes a metal base printed board in which a conductive circuit pattern is formed on an electrically insulating layer disposed on one main surface of a metal board, and the circuit. At least one power semiconductor fixed on the pattern and a driver IC for driving the power semiconductor, and the upper electrode of the power semiconductor element and the circuit pattern are electrically connected by a thin metal wire A semiconductor power module, wherein at least one of a group of metal lead terminals having the same potential for electrically connecting the semiconductor power module and the outside is connected to the metal base printed circuit board via a lead terminal support. an internal lead terminal is a structure having an external lead terminal connected to the external terminal pitch of the inner lead terminal The external lead smaller than inter-terminal pitch of the terminals, the terminal number of said inner lead terminals larger than the number of terminals of the external lead terminals, the pitch between terminals of the parts to be connected to an external of the metal lead terminal group are the same It is characterized by that.
前記パワー半導体と外部とを電気的に接続するためのパワー用リード端子が設置された回路パターンを有し、前記パワー半導体が固着された回路パターン、前記パワー半導体の上部電極と金属配線を介して接続された回路パターンおよび、前記パワー用リード端子が設置された回路パターンにおいて、それぞれの回路パターンに電流経路を細分化するスリットまたは溝を形成しているのが好ましい。
A circuit pattern having power lead terminals for electrically connecting the power semiconductor and the outside is provided, the circuit pattern to which the power semiconductor is fixed, an upper electrode of the power semiconductor and a metal wiring In the connected circuit pattern and the circuit pattern in which the power lead terminal is installed, it is preferable that a slit or groove for subdividing the current path is formed in each circuit pattern.
前記同電位の金属リード端子群は、前記金属ベース基板側と接続する少なくとも3本以上の金属リード端子数と、外部と接続する少なくとも2本以上の金属リード端子で構成され、前記金属端子の中央部にリード端子ピッチを変更する1本以上のリード端子支持部を有することが好ましい。 The group of metal lead terminals having the same potential is composed of at least three metal lead terminals connected to the metal base substrate side and at least two metal lead terminals connected to the outside. It is preferable to have one or more lead terminal support parts for changing the lead terminal pitch in the part.
前記金属ベースプリント基板上には、前記金属リード端子群が複数箇所に取り付けられているのが好ましい。 The metal lead terminal group is preferably attached to a plurality of locations on the metal base printed board.
本発明に係る別の半導体パワーモジュールは、金属基板の一主面に配設された電気的絶縁層の上に導電性の回路パターンを形成した金属ベースプリント基板と、前記回路パターン上に固着された少なくとも1つ以上のパワー半導体と、前記パワー半導体を駆動するためのドライバICを有し、前記パワー半導体素子の上部電極と前記回路パターンとを金属細線によって電気的に接続する半導体パワーモジュールであって、前記パワー半導体の主電極を外部と接続するためのパワー用リード端子は、ドライバICの電極を外部と接続するための制御用リード端子よりも端子間ピッチが狭く、かつ電流経路を細分化する複数の同電位の金属リード端子が並列接続されてなることを特徴とする。
Another semiconductor power module according to the present invention is fixed to a metal base printed board having a conductive circuit pattern formed on an electrically insulating layer disposed on one main surface of the metal board, and the circuit pattern. The semiconductor power module has at least one power semiconductor and a driver IC for driving the power semiconductor, and electrically connects the upper electrode of the power semiconductor element and the circuit pattern by a thin metal wire. Te, the power lead terminal for a main electrode connected to the outside of the power semiconductor has a narrow pitch between terminals than the control lead terminal for connecting the electrodes of the driver IC with an external, and subdivide the current path A plurality of metal lead terminals having the same potential are connected in parallel .
前記パワー用リード端子は、各リード端子が離間して2段以上に配列され、かつ前記リード端子の延びる方向から見たとき、千鳥格子状に配列されているのが好ましい。 The power lead terminals are preferably arranged in a staggered pattern when viewed from the direction in which the lead terminals extend, with each lead terminal being spaced apart and arranged in two or more stages.
前記パワー用リード端子は板状に形成され、電流経路を細分化するスリットまたは溝が設けられているのが好ましい。
Preferably, the power lead terminal is formed in a plate shape and is provided with slits or grooves for subdividing the current path.
前記パワー用リード端子における内部リード端子のうち、少なくとも1本以上の内部リード端子は、他に比べてリード長が長いのが好ましい。 Of the internal lead terminals in the power lead terminal, at least one internal lead terminal preferably has a longer lead length than the others.
前記金属ベースプリント基板、前記パワー半導体および、前記ドライバICを内部に収納するために前記金属リード端子と一体成形されたインナーケースと、前記インナーケース内に充填され、前記パワー半導体およびドライバICを封止する封止樹脂を備えているのがさらに好ましい。 An inner case integrally formed with the metal lead terminal for housing the metal base printed board, the power semiconductor, and the driver IC therein, and the inner case is filled, and the power semiconductor and the driver IC are sealed. More preferably, a sealing resin that stops is provided.
前記複数のパワー半導体でハーフブリッジ回路を形成し、さらに大電流パルスを出力する出力端子を備えているのがさらに好ましい。 More preferably, a half bridge circuit is formed by the plurality of power semiconductors, and an output terminal for outputting a large current pulse is further provided.
本発明に係る半導体パワーモジュールによれば、主電源電流経路および外部出力電流経路に配置される金属リード端子が複数本、並列接続されているため電流経路が細分化され、端子に寄生するインダクタンスを低減する効果がある。 According to the semiconductor power module of the present invention, a plurality of metal lead terminals arranged in the main power supply current path and the external output current path are connected in parallel, so that the current path is subdivided, and the parasitic inductance of the terminals is reduced. There is a reduction effect.
その結果、スイッチング時のサージ電圧や輻射ノイズが低減されるため、装置の回路の誤動作および、回路素子の破壊を防止しえる効果があり、高周波,大電流駆動が必要とされるモータ駆動装置やプラズマディスプレーパネルの駆動装置として好適である。 As a result, the surge voltage and radiation noise during switching are reduced, which has the effect of preventing malfunction of the circuit of the device and destruction of the circuit element, and a motor drive device that requires high frequency and high current drive. It is suitable as a driving device for a plasma display panel.
また、複数端子間にリード端子支持部を有するため、端子の接続強度を上げる効果がある。また端子間ピッチを均一にすることにより、製品基板レイアウトを容易にできる効果がある。さらに複数の端子の内、リード長が長い端子があるため、モジュールを外部基板に実装する際の位置決めを容易にできる効果がある。 Further, since the lead terminal support portion is provided between the plurality of terminals, there is an effect of increasing the connection strength of the terminals. Further, by making the pitch between terminals uniform, there is an effect that the product substrate layout can be easily made. Furthermore, since there is a terminal having a long lead length among the plurality of terminals, there is an effect that positioning when the module is mounted on the external substrate can be facilitated.
また、上記の半導体パワーモジュールの構成に追加して、パワー半導体が固着された回路パターン、パワー半導体の上部電極と金属配線で接続された回路パターンおよびパワー用リード端子が設置される回路パターンには、電流経路を細分化するスリットまたは溝を形成されているため、回路パターンおよび金属細線に寄生するインダクタンスと抵抗成分を低減する効果がある。
In addition to the configuration of the semiconductor power module described above, the circuit pattern in which the power semiconductor is fixed, the circuit pattern connected to the upper electrode of the power semiconductor with metal wiring, and the circuit pattern in which the power lead terminal is installed Since the slit or groove for subdividing the current path is formed, there is an effect of reducing the inductance and resistance components parasitic on the circuit pattern and the metal thin wire.
その結果、スイッチング時のサージ電圧や輻射ノイズが低減されるため、装置の回路の誤動作および、回路素子の破壊を防止しえる効果があり、高周波,大電流駆動が必要とされるモータ駆動装置やプラズマディスプレーパネルの駆動装置として好適である。 As a result, the surge voltage and radiation noise during switching are reduced, which has the effect of preventing malfunction of the circuit of the device and destruction of the circuit element, and a motor drive device that requires high frequency and high current drive. It is suitable as a driving device for a plasma display panel.
また、パワー用リード端子がいわゆる千鳥状に、すなわち、ジグザグ状配列の2段に配列されているため、複数の端子を高密度配置できる。 Further, since the power lead terminals are arranged in a so-called zigzag pattern, that is, in a zigzag array, a plurality of terminals can be arranged at high density.
また、別構成の半導体パワーモジュールによると、パワー用リード端子は板状に形成され、電流経路を細分化するスリットまたは溝を設けたことを特徴としており、この構成によりパワー用リード端子の電流経路の細分化が可能となり、端子に寄生するインダクタンスを低減する効果がある。また、端子が板状に形成されているため、端子強度が強く、モジュールを外部基板に実装する際の位置決めを容易にできる効果がある。
Further, according to another configuration of the semiconductor power module, the power lead terminal is formed in a plate shape and is provided with slits or grooves for subdividing the current path. With this configuration, the current path of the power lead terminal is characterized by Can be subdivided, and there is an effect of reducing inductance parasitic on the terminal. Further, since the terminals are formed in a plate shape, the terminal strength is strong, and there is an effect that positioning when the module is mounted on the external substrate can be easily performed.
また、別構成の半導体パワーモジュールによると、金属ベースプリント基板、パワー半導体および、ドライバICを内部に収納するために金属リード端子と一体成形されたインナーケースと、インナーケース内に充填されパワー半導体およびドライバICを封止する封止樹脂を具備しており、制御用リード端子とインナーケースが一体化しているため、端子の配置位置を高精度に制御できる効果がある。 Further, according to the semiconductor power module of another configuration, the metal base printed circuit board, the power semiconductor, the inner case integrally formed with the metal lead terminal for housing the driver IC, the power semiconductor filled in the inner case, Since the sealing resin for sealing the driver IC is provided and the control lead terminal and the inner case are integrated, there is an effect that the terminal arrangement position can be controlled with high accuracy.
以下、本発明の実施の形態について、実施例を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described using examples.
(第1の実施形態)
図1は本発明の一実施例における半導体パワーモジュール1の平面図である。図1に示すように、金属ベースプリント基板2の一主面に銅材から成る回路パターンが配設され、その上に回路部品を実装した構成となっている。なお図中では主要な部品と回路パターンのみ記入しており、回路パターンも詳細な説明が不要の箇所は途中で省略されている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a plan view of a semiconductor power module 1 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a circuit pattern made of a copper material is arranged on one main surface of a metal base printed
電力制御用のパワー半導体素子4a、4b、5a、5bは、本実施例ではMOSFETを使用している。パワー半導体素子の種類は、これに限ったものではなくパワートランジスタやIGBT(絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ)等でもよい。これらのMOSFETは回路パターン14、16の所定の位置にハンダ等で固着され電気的に接続される。
The
なお図中では省略しているが、MOSFET4a、4b、5a、5bと回路パターン14、16の間に放熱性向上の目的でヒートスプレッダ(放熱性金属ベース)を挿入しても良い。また、MOSFET4a、4bの上部電極は回路パターン15とそれぞれ複数の金属細線18a、18bで電気的に接続され、MOSFET5a、5bは回路パターン17とそれぞれ複数の金属細線18c、18dで電気的に接続される。
Although omitted in the figure, a heat spreader (heat dissipating metal base) may be inserted between the MOSFETs 4a, 4b, 5a, 5b and the
パワー用リード端子ユニット10〜13のうち、10は回路パターン14に固着され、MOSFET4a、4bのドレイン端子(D1)となり、11は回路パターン15に固着され、MOSFET4a、4bのソース端子(S1)となり、12は回路パターン16に固着され、MOSFET5a、5bのドレイン端子(D2)となり、13は回路パターン17に固着され、MOSFET5a、5bのソース端子(S2)となる。
Of the power
3は電力制御用のパワー半導体4a、4b、5a、5bの動作を制御する半導体素子(ドライバIC)である。6〜9は制御用リード端子であり、6はドライバIC3の接地用端子(GND)、7はローサイド側パワー半導体Q2の制御入力端子(LIN)、8はハイサイド側パワー半導体Q1の制御入力端子(HIN)、9はドライバIC3の電源端子(VCC)である。各制御用リード端子はドライバIC3の所定の電極端子と回路パターンによって電気的に接続される(図示せず)。
A semiconductor element (driver IC) 3 controls the operation of the
次に図2は、図1中の一点鎖線A−A’に沿った断面透過図である。図中で図1に対応する同一部品には同じ符号を記している。図2に示すように金属ベースプリント基板2上の回路パターン14〜17は絶縁層19によって電気的に絶縁される。金属ベースプリント基板2上の回路部品および外部端子は封止樹脂20によって封止される。
Next, FIG. 2 is a cross-sectional transmission diagram along the alternate long and short dash line A-A ′ in FIG. 1. In the figure, the same parts corresponding to those in FIG. As shown in FIG. 2, the
次に図3は図1に示す半導体パワーモジュールの主要な部分を示す概略回路図である。図中で図1に対応する同一部品には同じ符号を記している。Q1は複数の並列接続されたMOSFET4a、4bの等価回路を示しており、Q1のドレイン端子は10(D1)、ソース端子は11(S1)である。Q2は複数の並列接続されたMOSFET5a、5bの等価回路を示しており、Q2のドレイン端子は12(D2)、ソース端子は13(S2)である。Ho21、Lo22はそれぞれドライバIC3のHIN端子8、LIN端子7から入力された入力制御信号に基づいて信号が出力される制御出力端子であり、モジュール内部でHo21はQ1のゲート電極と、Lo22はQ2のゲート電極とそれぞれ電気的に接続されている。Q1のソース端子11とQ2のドレイン端子12はモジュール外の外部基板上で接続され、Q1、Q2でハーフブリッジ回路を構成する。本実施例の場合、主電源端子は10(D1)、13(S2)であり、主出力端子は11(S1)、12(D2)となる。
FIG. 3 is a schematic circuit diagram showing the main part of the semiconductor power module shown in FIG. In the figure, the same parts corresponding to those in FIG. Q1 shows an equivalent circuit of a plurality of
次に本発明の一実施例における半導体パワーモジュールの動作について図3および図4に基づいて説明する。ドライバIC3が外部からの信号を受け、駆動信号を対応するパワー半導体Q1およびQ2のゲート電極に出力し、各パワー半導体Q1、Q2が前記駆動信号の入力により、パワー用リード端子10からの主電源電流をON、OFFし、パワー用リード端子11、12より負荷に任意の周波数の交流出力を供給する。即ち、ドライバIC3が外部制御信号の入力により対応するパワー半導体Q1のゲート電極Ho21へON信号、Q2のゲート電極Lo22へOFF信号を出力し、これらの駆動信号の入力によりパワー半導体Q1がON、パワー半導体Q2がOFFすることにより、パワー用リード端子10から入力された主電流i1はパワー用リード端子11を介して負荷へ出力される。次に、ドライバIC3が外部制御信号の入力により対応するパワー半導体Q1のゲート電極Ho21へOFF信号、Q2のゲート電極Lo22へON信号を出力し、これらの駆動信号の入力によりパワー半導体Q1がOFF、パワー半導体Q2がONすることにより、負荷からの主電流i2はパワー用リード端子12を介してパワー用リード端子13へ出力される。
Next, the operation of the semiconductor power module in one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The
上記より明らかなように、主電流i1の経路は図1において、パワー用リード端子10から回路パターン14へ入りパワー半導体素子4a、4b、金属細線18a、18bを経て回路パターン15へ流れ、パワー用リード端子11から出力される。この電流経路には図4に示すようにパワー用リード端子10に寄生するインダクタンスL1、回路パターン14に寄生するインダクタンスL2、金属細線18a、18bおよび回路パターン15に寄生するインダクタンスL3、パワー用リード端子11に寄生するインダクタンスL4が含まれる。また、主電流i2の経路は図1において、パワー用リード端子12から回路パターン16へ入りパワー半導体素子5a、5b、金属細線18c、18dを経て回路パターン17へ流れ、パワー用リード端子13から出力される。この電流経路には図4に示すようにパワー用リード端子12に寄生するインダクタンスL5、回路パターン16に寄生するインダクタンスL6、金属細線18c、18dおよび回路パターン17に寄生するインダクタンスL7、パワー用リード端子13に寄生するインダクタンスL8が含まれる。
As is clear from the above, the path of the main current i1 in FIG. 1 enters the
主電流i1およびi2は数十A以上の大電流で10kHz以上の高周波で駆動されているため、スイッチングの際には電流の時間変化率は数kA/μsに達することもある。このような電流が流れると、この電流経路に含まれる寄生インダクタンス(L1〜L8)によって(L1+L2+L3+L4)di1/dtおよび(L5+L6+L7+L8)di2/dtの大きさのサージ電圧が発生し、各半導体素子の破壊や損失の増加、あるいはノイズによる誤動作を招く原因となる。 Since the main currents i1 and i2 are driven by a high current of several tens of A or more and a high frequency of 10 kHz or more, the time change rate of the current may reach several kA / μs during switching. When such a current flows, a surge voltage having a magnitude of (L1 + L2 + L3 + L4) di1 / dt and (L5 + L6 + L7 + L8) di2 / dt is generated by the parasitic inductances (L1 to L8) included in the current path. Damage, increase in loss, or malfunction due to noise.
これらの寄生インダクタンスを低減するために、図1において、回路パターン14〜17はそれぞれ電気的に接続される制御用リード端子10〜13と近接に配置され、かつパワー半導体4a、4bが固着される回路パターン14と回路パターン15の絶縁距離が1mmであり、パワー半導体5a、5bが固着される回路パターン16と回路パターン17の絶縁距離が1mmになるように短距離で幅広に直線もしくは矩形に配置される。
In order to reduce these parasitic inductances, in FIG. 1,
さらにパワー半導体4a、4bは回路パターン14上に各上部電極と回路パターン15を電気的に接続するための金属細線18a、18bの配線長が6〜10mmになるような位置に設置され、パワー半導体5a、5bは回路パターン16上に各上部電極と回路パターン17を電気的に接続するための金属細線18c、18dの配線長が6〜10mmになるような位置に設置される。また金属細線18a〜18dの本数は各パワー半導体の定格電流から算出される本数よりも多く配線される。例えば、パワー半導体の定格電流が50Aで金属細線1本当りの溶断電流が25Aならば3本打ちで十分であるが、5〜10本打つことにより金属細線に寄生するインダクタンスを低減する。また図1中の回路パターン14〜17は、他の回路パターン部の厚みが0.05〜0.1mmであるのに対して、予め厚みの厚い銅材を使用するか、もしくはハンダ材などを固着することにより0.15〜0.5mmとすることにより更に回路パターン14〜17の寄生インダクタンスを低減できる。また、ここでは図示しないが、回路パターン14a、15a、16a、17a部に電流経路を細分化するスリットや溝を入れることによって更に寄生インダクタンスを低減できる。以上の構成により、図4で示す回路内の寄生インダクタンスL2、L3、L6、L7を低減することができる。
Further, the
次にパワー用リード端子10、11、12、13に寄生するインダクタンスL1、L4、L5、L8を低減するための端子構造について図5に基づいて説明する。図5はパワー用リード端子の第1の構造を示す構造図である。複数の金属リード端子間にリード端子支持部24を設けてリード端子ユニット23を形成している。リード端子ユニット23においてモジュールの金属ベースプリント基板側と接続される23a側の内部端子間ピッチP1は1.27mmで、7本の端子が同電位に並列接続されている。一方メインプリント基板側と接続される23b側の外部端子間ピッチP2は2.54mmで、4本の端子が同電位に並列接続されている。また、リード端子ユニット23の端子幅は、23a、23bともに0.8mmで、端子厚T2は0.5〜0.8mmである。なお23a側の端子厚だけ0.8〜1.5mmと23b側よりも厚くすることも可能である。またリード端子支持部24の設置位置は23a側の長さが最大になるように、メインプリント基板と面一になる位置に設置する。
Next, a terminal structure for reducing the inductances L1, L4, L5, and L8 parasitic on the
以上の端子構造により、通常よりも複数の端子を並列接続することが可能となり、リード端子に寄生するインダクタンスを低減することができる。また、複数のリード端子間にリード端子支持部24を設けているため、複数端子間の接続強度を上げることが可能となる。また、メインプリント基板と接続する端子の端子間ピッチは全て同一であるため、外部基板レイアウトを容易にすることが可能である。
With the above terminal structure, it is possible to connect a plurality of terminals in parallel than usual, and it is possible to reduce inductance parasitic on the lead terminals. Further, since the lead
以上の端子構造により通常よりも複数の端子を並列接続することが可能となり、リード端子に寄生するインダクタンスを低減することができる。 With the above terminal structure, it is possible to connect a plurality of terminals in parallel, and it is possible to reduce inductance parasitic on the lead terminals.
なお、回路パターンおよび端子に寄生する自己インダクタンスLは、設計上では断面方向の薄板(幅w、厚さt、長さl)として次の計算式で求めることができる。 The self-inductance L parasitic on the circuit pattern and the terminal can be obtained by the following calculation formula as a thin plate (width w, thickness t, length l) in the cross-sectional direction in design.
L=0.2×l×(Ln(2×l/(w+t))+0.5
+0.224×(w+t)/l) (nH) (式1)
また金属細線(長さl、直径φ)に寄生する自己インダクタンスL’は設計上では次式で計算できる。
L = 0.2 × l × (Ln (2 × l / (w + t)) + 0.5
+ 0.224 × (w + t) / l) (nH) (Formula 1)
In addition, the self-inductance L ′ parasitic on the thin metal wire (length l, diameter φ) can be calculated by the following equation in design.
L’=0.2×l×(Ln(4×l/φ)−0.75) (nH) (式2)
上記構成によるインダクタンス低減の効果は実験によって検証する必要がある。金属細線においては、長さ12mm、直径350μmのアルミ線を使用した場合、6本並列接続では寄生インダクタンスは2.6nHであるのに対し、10本並列接続にすることにより1.4nHに低減することができた。また、従来の構成では数十nH以上の寄生インダクタンスが存在するが、図1および図5の構成によりパワー用リード端子10〜11間の寄生インダクタンスの合計値を4.0nHに低減できた。
L ′ = 0.2 × l × (Ln (4 × l / φ) −0.75) (nH) (Formula 2)
The effect of inductance reduction by the above configuration needs to be verified by experiment. In the case of using an aluminum wire having a length of 12 mm and a diameter of 350 μm in the thin metal wire, the parasitic inductance is 2.6 nH in the parallel connection of 6 wires, whereas it is reduced to 1.4 nH by making the parallel connection of 10 wires. I was able to. Further, in the conventional configuration, a parasitic inductance of several tens of nH or more exists, but the total value of the parasitic inductance between the
以上の構成により、主電流1、2の経路は最短距離で構成され、また電流経路が細分化されるため、寄生するインダクタンスL1〜L8を低減することができる。また寄生抵抗も低減できる。その結果、スイッチング時のサージ電圧や輻射ノイズが低減されるため、装置の回路の誤動作および、回路素子の破壊を防止しえる効果があり、高周波,大電流駆動が必要とされるモータ駆動装置やプラズマディスプレーパネルの駆動装置として好適である。
With the above configuration, the paths of the
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施例における半導体パワーモジュールは第1の実施例における半導体パワーモジュールにおいて、パワー用リード端子構造を変更したものである。
(Second Embodiment)
The semiconductor power module according to the second embodiment of the present invention is obtained by changing the power lead terminal structure in the semiconductor power module according to the first embodiment.
図6(a)は本発明の一実施例における半導体パワーモジュールのパワー用リード端子の第2の構造を示す図である。図6(a)において、25はパワー用リード端子ユニットであり、図中の例では25a〜25gの7本の端子が同電位に並列接続されて、図3で示す10、11、12、13の端子に相当する。一方図6(b)の26は制御用リード端子の例であり、その1本1本は別電位であり、図3で示す6、7、8、9の端子に相当する。例えば、制御用リード端子26の端子間ピッチP2は2.54mmで一定であるのに対して、パワー用リード端子ユニット25の端子間ピッチP1は1.27mmと狭くする。また端子幅は制御用リード端子26、パワー用リード端子25ともに0.8mmである。さらに制御用リード端子26の端子厚T2は0.5〜0.8mmであるのに対して、パワー用リード端子25の端子厚T1は0.8〜1.5mmである。
FIG. 6A is a view showing a second structure of the power lead terminal of the semiconductor power module in one embodiment of the present invention. In FIG. 6A,
以上の構成により、主電源電流が流れるパワー用リード端子部に寄生するインダクタンスL1、L4、L5、L8を低減することができる。 With the above configuration, the inductances L1, L4, L5, and L8 parasitic on the power lead terminal portion through which the main power supply current flows can be reduced.
(第3の実施形態)
本発明の第3の実施例における半導体パワーモジュールは第1の実施例における半導体パワーモジュールにおいて、パワー用リード端子構造を変更したものである。図7(a)はパワー用リード端子の第3の構造を示す平面図であって、図6の第2の実施例と比較してパワー用リード端子ユニット27が千鳥状に、すなわちジグザグ状配列になっている。図7(b)は図7(a)中の一点鎖線B−B’に沿った側面図である。端子間の縦方向の距離dは5mmであり、横方向の端子間ピッチ、端子厚、端子幅は図6(a)のパワー用リード端子ユニット25と同様である。以上の端子構造により、図6(a)に示すパワー用リード端子ユニット25よりも略倍の端子を並列接続することが可能となり、パワー用リード端子に寄生するインダクタンスを更に低減することができる。
(Third embodiment)
The semiconductor power module according to the third embodiment of the present invention is obtained by changing the power lead terminal structure in the semiconductor power module according to the first embodiment. FIG. 7A is a plan view showing a third structure of the power lead terminals, and the power
また第1〜第3の実施例において、パワー用リード端子ユニットの構造を示す図5、図6、図7では図示しないが、パワー用リード端子ユニットを構成する複数の内部端子の内、他に比べてリード長が長い端子を配置すると、モジュールを外部基板に実装する際の位置決めが容易になる。 In the first to third embodiments, the structure of the power lead terminal unit is not shown in FIGS. 5, 6, and 7, but other than the plurality of internal terminals constituting the power lead terminal unit, If a terminal having a longer lead length is disposed, positioning when the module is mounted on the external substrate is facilitated.
(第4の実施形態)
本発明の第4の実施例における半導体パワーモジュールは第1の実施例における半導体パワーモジュールにおいて、パワー用リード端子構造を変更したものである。図8はパワー用リード端子の第4の構造を示す構造図であり、第1〜第3の実施例におけるパワー用リード端子ユニットの構造を示す図5、図6、図7に示す複数のリード端子が並列接続されて構成されたパワー用リード端子ユニットとは構造が異なり、幅広の板状で形成されている。この板状パワー用リード端子28の内部に電流経路を細分化する方向に複数のスリットまたは溝を設ける構成によりパワー用リード端子の電流経路の細分化が可能となり、端子に寄生するインダクタンスを低減する。また、端子が板状に形成されているため、端子強度が強く、モジュールを外部基板に実装する際の位置決めを容易にできる。
(Fourth embodiment)
The semiconductor power module according to the fourth embodiment of the present invention is obtained by changing the power lead terminal structure in the semiconductor power module according to the first embodiment. FIG. 8 is a structural view showing a fourth structure of the power lead terminal, and a plurality of leads shown in FIGS. 5, 6, and 7 showing the structure of the power lead terminal unit in the first to third embodiments. The structure is different from that of a power lead terminal unit configured by connecting terminals in parallel, and is formed in a wide plate shape. By providing a plurality of slits or grooves in the direction of subdividing the current path in the plate-shaped power lead terminal 28, the current path of the power lead terminal can be subdivided, and the parasitic inductance of the terminal is reduced. . Moreover, since the terminal is formed in a plate shape, the terminal strength is strong, and positioning when mounting the module on the external substrate can be facilitated.
(第5の実施形態)
図9(a)は本発明の第5の実施例における半導体パワーモジュール30の構造を示す平面図であり、図9(b)は一点鎖線C−C’に沿った断面透過図である。図中で図1に対応する同一部品には同じ符号を記している。図9(a)、(b)において、金属ベースプリント基板2上に配置された回路パターンおよび半導体素子配置は第1の実施例と同様である。第1の実施例において、金属ベースプリント基板2上の回路部品および外部端子は封止樹脂20によって封止されていたが、第5の実施例では回路部品が実装された金属ベースプリント基板2に、当該金属ベースプリント基板2に対して封止空間を形成するインサートケース31が取り付けられた構成である。
(Fifth embodiment)
FIG. 9A is a plan view showing the structure of the
インサートケース31は図9(a)、(b)に示すように、絶縁性の樹脂により周壁32を有する例えば矩形の枠体に形成される。そしてその周壁32内に少なくとも制御用リード端子6〜9とパワー用リード端子10〜13とが一体形成されて構成される。なお図9中のパワー用リード端子10〜13の構造は図5で示す第1の実施例の構造と同一であるが、第2〜第4の実施例におけるパワー用リード端子の構造のどれを使用しても良い。インサートケース31の下面は開放されており金属ベースプリント基板2が嵌合するように形成される。金属ベースプリント基板2上の回路部品は封止樹脂20によって封止されている。
As shown in FIGS. 9A and 9B, the
以上の構成により、制御用リード端子とインナーケースが一体成形されているため、制御用リード端子の配置位置を高精度に制御できる。またその他の作用・効果は実施例1と同様であり、主電流経路は最短距離で構成され、また電流経路が細分化されるため、寄生するインダクタンスを低減することができる。また寄生抵抗も低減できる。その結果、スイッチング時のサージ電圧や輻射ノイズが低減されるため、装置の回路の誤動作および、回路素子の破壊を防止しえる効果があり、高周波,大電流駆動が必要とされるモータ駆動装置やプラズマディスプレーパネルの駆動装置として好適である。 With the above configuration, since the control lead terminal and the inner case are integrally molded, the arrangement position of the control lead terminal can be controlled with high accuracy. The other operations and effects are the same as those of the first embodiment, and the main current path is configured with the shortest distance and the current path is subdivided, so that parasitic inductance can be reduced. In addition, parasitic resistance can be reduced. As a result, the surge voltage and radiation noise during switching are reduced, which has the effect of preventing malfunction of the circuit of the device and destruction of the circuit element, and a motor drive device that requires high frequency and high current drive. It is suitable as a driving device for a plasma display panel.
なお、先記した各実施例では、いずれも2個の並列接続したMOSFET4a、4bおよび5a、5bを使用した例を示したが、2個以上のMOSFETを並列接続した場合についても同様に実施できるのは明白である。また先記した各実施例では、図3で示したようにパワー半導体Q1、Q2を直列に接続し、ハーフブリッジ回路を構成した半導体パワーモジュールについて述べたが、このハーフブリッジ回路を2あるいは3組用いて同一モジュール内に組み込んだ単相フルブリッジ、3相ハーフブリッジ回路を構成した半導体パワーモジュールについても同様に実施できるのは明白である。
In each of the above-described embodiments, an example in which two parallel-connected
以上説明したように、本発明は、高周波,大電流駆動が必要とされるモータ駆動装置やプラズマディスプレーパネルの駆動装置として有用である。 As described above, the present invention is useful as a motor driving device or a plasma display panel driving device that requires high frequency and large current driving.
1 半導体パワーモジュール
2 金属ベースプリント基板
3 ドライバIC
4a、4b パワー半導体
5a、5b パワー半導体
6 制御用リード端子(ドライバIC接地用端子(GND))
7 制御用リード端子(ローサイド側制御入力端子(LIN))
8 制御用リード端子(ハイサイド側制御入力端子(HIN))
9 制御用リード端子(ドライバIC電源端子(VCC))
10 パワー用リード端子(ドレイン端子(D1))
11 パワー用リード端子(ソース端子(S1))
12 パワー用リード端子(ドレイン端子(D2))
13 パワー用リード端子(ソース端子(S2))
14、15、16、17 回路パターン(銅材)
18a、18b、18c、18d 金属細線
19 絶縁層
20 封止樹脂
21 制御信号端子
22 制御信号端子
23、25、26、27、28 パワー用リード端子ユニット
24 リード端子支持部
30 半導体パワーモジュール
31 インサートケース
32 周壁
101 絶縁金属基板
102 金属板
103 絶縁層
104 銅箔パターン(回路パターン)
105 パワー用リード端子
106 制御用リード端子
107 収納ケース
120 パワー半導体素子
121 制御半導体素子
122、123、124 接続線
1
4a,
7 Control lead terminal (Low-side control input terminal (LIN))
8 Control lead terminal (High-side control input terminal (HIN))
9 Control lead terminal (Driver IC power supply terminal (VCC))
10 Lead terminal for power (drain terminal (D1))
11 Lead terminal for power (source terminal (S1))
12 Lead terminal for power (drain terminal (D2))
13 Lead terminal for power (source terminal (S2))
14, 15, 16, 17 Circuit pattern (copper material)
18a, 18b, 18c, 18d Metal fine wire 19 Insulating
105
Claims (10)
前記回路パターン上に固着された少なくとも1つ以上のパワー半導体と、
前記パワー半導体を駆動するためのドライバICを有し、
前記パワー半導体素子の上部電極と前記回路パターンとを金属細線によって電気的に接続する半導体パワーモジュールであって、
前記半導体パワーモジュールと外部とを電気的接続するための同電位の金属リード端子群のうち少なくとも1つは、リード端子支持部を介して前記金属ベースプリント基板側に接続される内部リード端子と、外部に接続される外部リード端子を有する構造であり、
前記内部リード端子の端子間ピッチは前記外部リード端子の端子間ピッチよりも小さく、前記内部リード端子の端子数は前記外部リード端子の端子数よりも多く、
前記金属リード端子群における外部と接続する部分の端子間ピッチは同一であることを特徴とする半導体パワーモジュール。 A metal base printed circuit board having a conductive circuit pattern formed on an electrically insulating layer disposed on one main surface of the metal board;
At least one power semiconductor fixed on the circuit pattern;
A driver IC for driving the power semiconductor;
A semiconductor power module for electrically connecting the upper electrode of the power semiconductor element and the circuit pattern by a thin metal wire,
At least one of the same-potential metal lead terminal group for electrically connecting the semiconductor power module and the outside includes an internal lead terminal connected to the metal base printed circuit board side through a lead terminal support portion, It has a structure having external lead terminals connected to the outside,
The inter-terminal pitch of the internal lead terminals is smaller than the inter-terminal pitch of the external lead terminals, the number of terminals of the internal lead terminals is greater than the number of terminals of the external lead terminals,
A semiconductor power module characterized in that a pitch between terminals of a portion connected to the outside in the metal lead terminal group is the same .
前記パワー半導体が固着された回路パターン、前記パワー半導体の上部電極と金属配線を介して接続された回路パターンおよび、前記パワー用リード端子が設置された回路パターンにおいて、それぞれの回路パターンに電流経路を細分化するスリットまたは溝を形成したことを特徴とする請求項1記載の半導体パワーモジュール。 A circuit pattern in which a power lead terminal for electrically connecting the power semiconductor and the outside is installed,
In the circuit pattern to which the power semiconductor is fixed, the circuit pattern connected to the upper electrode of the power semiconductor through a metal wiring, and the circuit pattern in which the power lead terminal is installed, a current path is provided to each circuit pattern. 2. The semiconductor power module according to claim 1, wherein slits or grooves to be subdivided are formed.
の金属リード端子数と、外部と接続する少なくとも2本以上の金属リード端子で構成され、
前記金属端子の中央部にリード端子ピッチを変更する1本以上のリード端子支持部を有す
ることを特徴とする請求項1または2記載の半導体パワーモジュール。 The metal lead terminal group having the same potential is composed of at least three metal lead terminals connected to the metal base substrate side and at least two metal lead terminals connected to the outside.
3. The semiconductor power module according to claim 1, further comprising one or more lead terminal support portions for changing a lead terminal pitch at a central portion of the metal terminal.
ことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の半導体パワーモジュール。 4. The semiconductor power module according to claim 1, wherein the metal lead terminal group is attached to a plurality of locations on the metal base printed board.
前記回路パターン上に固着された少なくとも1つ以上のパワー半導体と、
前記パワー半導体を駆動するためのドライバICを有し、
前記パワー半導体素子の上部電極と前記回路パターンとを金属細線によって電気的に接続する半導体パワーモジュールであって、
前記パワー半導体の主電極を外部と接続するためのパワー用リード端子は、ドライバICの電極を外部と接続するための制御用リード端子よりも端子間ピッチが狭く、かつ電流経路を細分化する複数の同電位の金属リード端子が並列接続されてなることを特徴とする半導体パワーモジュール。 A metal base printed circuit board having a conductive circuit pattern formed on an electrically insulating layer disposed on one main surface of the metal board;
At least one power semiconductor fixed on the circuit pattern;
A driver IC for driving the power semiconductor;
A semiconductor power module for electrically connecting the upper electrode of the power semiconductor element and the circuit pattern by a thin metal wire,
A plurality of power lead terminals for connecting the main electrode of the power semiconductor to the outside are narrower in pitch than the control lead terminals for connecting the electrodes of the driver IC to the outside, and subdivide the current path. semiconductors power module metal lead terminal of the same potential is it characterized by comprising a parallel connection of.
前記インナーケース内に充填され、前記パワー半導体およびドライバICを封止する封止樹脂を備えたことを特徴とする請求項1ないし8のいずれかに記載の半導体パワーモジュール。 An inner case integrally formed with the metal lead terminal to house the metal base printed circuit board, the power semiconductor, and the driver IC;
9. The semiconductor power module according to claim 1, further comprising a sealing resin that fills the inner case and seals the power semiconductor and the driver IC.
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